用于逆变器应用的耐用型650V沟道IGBT

绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)是具有高输入阻抗和大双极性电流能力的少数载流子功率器件。由于这些特性，IGBT非常适合电力电子中的许多应用，尤其是电机驱动器、不间断电源(UPS)、可再生能源、电焊机、感应加热炉具和其他需要高电流和高电压能力的逆变器应用。短路耐受能力也是IGBT用于逆变器应用的一项重要功能。在逆变器驱动UPS或电机应用中，IGBT如果在故障电机、输出短路或输入总线电压直通情形中导通，可能会损坏。在这些条件下，经过IGBT的电流快速增加直至饱和。在故障检测和保护功能激活前，IGBT将承受电压力。从拓扑上看，三级中点箝位拓扑越来越普遍，甚至可应用到中低功率逆变器，因为更好的输出电压性能可减小滤波器尺寸并降低成本，同时在不过分牺牲开关损耗的情况下增加开关频率。在这种情况下，650V击穿电压为满足应用要求提供了极大的帮助。由于无法在三级NPC拓扑中完美平衡直流母线电压，较高的阻断电压对此拓扑极其重要。开发650V IGBT时，将开关和传导损耗保持在与600V IGBT相同水平至关重要。通常较高的击穿电压会造成Vce(sat)增加，并导致逆变器应用中的性能降低。同时，Vce(sat)和开关性能存在权衡取舍。这意味着补偿因较高电压设计导致的Vce(sat)增加可能会减慢开关性能，增加系统中的开关损耗。因此，在选择曲线中找到最佳设计点对开发650V IGBT至关重要。新的场截止沟道IGBT正是为满足这些要求而开发的。它具有650V击穿电压、极低的Vce(sat)和短路耐受能力。新IGBT的性能已通过系统级评估验证。

场截止沟道技术

场截止沟道技术利用沟道栅结构和高度掺杂n+缓冲层获得沟道穿通特性。借助这些功能，此新的IGBT技术实现了比上一代技术更高的单元密度。因此，在给定硅面积下它具有低得多的通态压降。新场截止沟道IGBT的电流密度是之前场截止平面技术的两倍以上。图1显示FGH75T65UPD、新的75A/650V场截止沟道IGBT和FGH75N60UF、75A/600V上一代场截止平面IGBT的权衡特性。FGH75T65UPD在25℃、75A时实现1.65V的Vce(sat)，而FGH75N60UF在相同条件下提供1.9V。考虑到击穿电压增加到650V和活动面积减小，此特性有显著改进，因为较高的阻断电压和较小的尺寸导致Vce(sat)增加。此低Vce(sat)是新场截止沟道IGBT的主要优势。场截止沟道技术还减少了每转换周期的关断能耗，如图1所示。此增强的权衡特性使逆变器设计能够满足较高系统效率的市场需求。尽管硅面积减小，新场截止沟道IGBT在因热失控出现故障之前提供5us短路耐受时间，这是上一代IGBT无法提供的。新场截止沟道IGBT也有较低的关断状态漏电流，最大结温为175℃。

图1 权衡特性

对比评估结果

新场截止沟道IGBT通过同样利用类似场截止技术的竞争设备来评估。在Tj=25℃、Ic=80A、Vce=400V、Vge=15V和Rg=5Ohm的开关测试中，FGH75T65UPD显示183uJ的关断损耗。额定值为75A/600V的竞争产品IGBT的开关损耗为231uJ。评估相同封装的二极管的反向恢复特性。测试条件为If=40A，Tj=125℃，Vr=400V，di/dt=500A/us。新场截止沟道IGBT的Qrr为1.17uC，比竞争产品IGBT的3.98uC小很多。这个小Qrr值可在桥拓扑的情况下减小桥臂中IGBT的开通损耗。开关性能通过商业5.5kW额定值光伏并网逆变器来验证，该逆变器具有前端升压级和双极性控制全桥逆变级。两级的开关频率均为19kHz。升压级保持原始设计不变，FGH75T65UPD和竞争产品IGBT应用于全桥逆变级。图2显示FGH75T65UPD和竞争产品IGBT的效率测试结果。FGH75T65UPD的EURO和CEC加权效率为94.37%和95.08%，竞争产品IGBT的分别为93.67%和94.37%。新场截止沟道IGBT具有卓越的开关性能，因此效率更高。

图2 PV逆变器效率

图3显示额定值为50A的新场截止沟道IGBT、FGH50T65UPD及其竞争产品的另一权衡取舍。FGH50T65UPD显示10A和20A的权衡取舍，这是多数应用中的实用工作电流水平。基于这些特性，估计系统中的功率损耗。目标系统是3kW额定混合频率全桥逆变器。两个低端IGBT在线路频率下切换，两个高端IGBT在17kHz切换。估计的功率损耗在图4中总结。要验证功率损耗估计值，使用两个IGBT评估系统效率；FGH50T65UPD和竞争产品3 IGBT（与FGH50T65UPD具有类似的功率损耗）。图5显示3kW逆变器系统的测量效率。竞争产品3 IGBT在全负载时接近FGH50T65UPD。这与估计值相匹配。此外，效率差距随着负载的减小而变大。这也与图3相符，图3中显示当电流水平较低时FGH50T65UPD的性能优于竞争产品。

图3 PV逆变器效率

图4 功率损耗估计

图5 混合频率全桥逆变器效率

结论

上文已介绍新的650V场截止沟道IGBT并评估了其性能。新的IGBT比上一代IGBT提供更好的DC和AC特性、更长的短路耐受时间以及更低的漏电流。经过所有这些改进，新场截止沟道IGBT可实现高效和可靠的逆变器系统。